PIV测速原理与应用

第24卷第1期西华大学学报·自然科学版2005年1月Vol 24. No. 1Journal of Xihua University. Natural Science文章编号:1673159X(2005)01-001902PIV测速原理与应用杨小林,严敬(西华大学能源与环境学院四川成都610039)摘要:随着计算机技术、图像处理技术的快速发展,近10年来PIV技术有了长足的发展。本文作者详细阐述了PV系统的测速原理及实验数据采集、分析计算过程,并采用先进的PV系统在改型叶轮内进行实验研究首次成功获得叶轮轴向旋涡瞬态流场关键词PIV;测试原理;数据采集;轴向旋涡中图分类号:TH311文献标识码:APrinciples for the measurement and Image Processing Using PIVYANG Xiao-lin, YAN JingSchool of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039 China)Abstract: With the fast development of PC and image processing, great progress in PlV has beenhors analyze the principle of PIv system in detailquisition and processing of experimental data, and conduct experimental investigation for relative eddyin a modified impeller passage by employing an advanced PIv system. For the first time, the velocitydistribution in the inner flow fields of relative eddy is obtained successfully.Key words PIV; principle; data acquisition; relative eddy在明渠、管道以及泵和水轮机的叶轮内部,流体流动规律的准确测定是发展流动理论和提高水激光力设计水平的一个重要环节。流速测量的方法很多,随着计算机技术与图像处理技术的快速发展旋转流场触发器同步产生了PIv( Particle Image Velocimetry)这种既能D克服流场单点测量局限,又能进行全流场瞬时、非柱面镜接触测量的测试技术。本文作者主要介绍PⅣV技术的测速原理以及它在离心叶轮轴向旋涡流研究计算机中的应用。1PIV测速原理及数据采集图1PV系统示意图1.1PIV测速原理图1为PIV系统示意图。中均中国煤化且比重与流体相当在利用PV技术测量流速时需要在二维流场的示YHa束经透镜散射后形NMHG收稿日期:2004060基金项目:四川省教育厅重点科研资助项目(编号:0224954作者简介:杨小林(1975-),女,四川省大邑县人,西华大学能源与环境学院讲师硕士,主要研究流体力学及流体机械。西华大学学报·自然科学版2005年成厚度约1mm的片光源入射到流场待测区域,步器等的设置( laser setup、 computer controlled camCCD摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。利 era setup、 summary、 synchronizer setup、 camera set-用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光up)。单击 Insight菜单中的 Archive Data Selection曝光时粒子的图像,形成两幅PⅣ底片(即一对相选择要捕获的图像的数据源,设置曝光和捕获图像同待测区域、不同时刻的图片),底片上记录的是整的模式及激光曝光的时间和能量强度。在系统控制个待测区域的粒子图像。整个待测区域包含了大量工具栏中点击 Begin Image Acquisition开始获取图的示踪粒子,很难从两幅图像中分辨出同一粒子,从像,按 Stop Operation停止曝光。然后单击poes而无法获得所需的位移矢量。采用图像处理技术将etup设置处理图像的参数( Image Shift/ Flow Di所得图像分成许多很小的区域(称为查问区),使用 rection/ Spot Offset、 Signal Levels、 Peak Search自相关或互相关统计技术求取查问区内粒子位移的 Correlation Algorithms、 Velocity Calibration、Grd大小和方向脉冲间隔时间已设定,粒子的速度矢量 Setup),选择矢量显示模式。再打开 Insight菜单中即可求出(见图2)。对查问区中所有粒子的数据进的 vector,在 leftfield中单击Maco( Start Recording)行统计平均可得该查问区的速度矢量,对所有查问开始计算,反复使用 Range、 Validate和Mean去除区进行上述判定和统计可得出整个速度矢量场。在坏点,并多次进行平均插值,最后进人 Vector vali实测时,对同一位置可拍摄多对曝光图片,这样能够 dation Setup进行平均并保存计算结果。更全面更精确地反映出整个流场内部的流动状态。2PIV在叶轮轴向旋涡流研究中的应查问区速度用叶轮流道轴向旋涡流是离心叶轮内特殊的流动现象,为了实现对轴向旋涡流的测定,将叶轮出口边封闭,实验时,用堵头堵住进口,这样水流就在四个相互独立、封闭的空间作相对旋转流动。试验叶轮采用4个对数螺旋线叶片,叶片型线为r流场矢量图19eun,叶片安放角取常数30°,叶片包角为154.35°,叶轮外径为180mm,出口宽度为12mm图2PIV原理图排挤系数各半径均为0.8827将 Insight软件计算所得的轴向旋涡流绝对速PIV测速是基于最直接的流体速度测量方法。度矢量数据导入 Tecplot软件,可直接显示水质点在己知的时间间隔△t内,流场中某一示踪粒子在绝对速度矢量图,见图3。二维平面上运动,它在x、y两个方向的位移是时间t的函数。该示踪粒子所在处水质点的二维速度可以表示为dx(t)r(t+At)-x(t)vdy(t)y(t+△t)-y(t)式中,vx、v为水质点沿x、y方向的瞬时速度,可、普可为水质点沿x、y方向的平均速度,4为测量的时间间隔。上式中,当Δ足够小时,可、可的大小可以精确地反映vx、vy。PIV技术就是通过测量示踪粒子中国煤化工的瞬时平均速度实现对二维流场的测量。CNMH矢量图12实验数据的采集和分析计算Insight软件是PIV系统作数据采集、分析和显由于叶轮内水质点的绝对速度矢量是其相对速示等任务的专用工具。在测试中,首先打开 Insight度和牵连速度的矢量和,按速度三角形分解可确定菜单中的 component setup进行摄相机、激光器、同(下转36页)西华大学学报自然科学版2005年化在自己的应用程序中控制源文档。支持OLE自与加工验证实验,实验结果表明该系统在实现图纸动化的应用程序向其它应用程序提供它们自己的对管理、工艺管理、NC程序管理统一的同时,保证了象。例如,Word提供的对象有句子、段落或整个文数据的准确性、安全性与完整性,能完成预期的任档; Excel提供的对象有宏,单元组或整个工作表。务,从原理上实现了我们所提出的DNC集成加工我们通过OLE自动化技术创建一个OLE自动化对系统模式象来实现本系统与CAD软件及 Excel的连接,最终参考文献通过CAD软件来完成对图纸的编辑、修改,通过[1]张旭梅,刘飞,王时龙,等,集成DNC系统及其运行模式Excel来完成对工艺卡片的编辑、修改。探讨J].计算机集成制造系统,1998,(2)当然,DNC集成加工系统的关键技术还有通讯[2]程涛,胡春华,吴波,等.分布式网络化制造系统构想[J].中国机械工程,199,(1)技术、网络技术和管理技术,限于篇幅这里就不再介[3]刑增平,等. Delphi5.0最佳专辑[M].北京:人民邮电出版绍社,2002.4结束语[4]飞思科技产品研发中心, SQL Server2000基础与提高[M]基于上述过程我们进行了一简单部件的设计北京电子工业出版社20(責任编辑:陈谨)(上接20页)由图4可知:转速n=400r/min时,不同半径相对速度矢量。图4、图5即为转速n=400r/min相对速度大小从工作面到背面均有先减小后增大的时在不同半径处轴向旋涡流相对速度大小分布及矢趋势,且叶片背面附近相对流速比工作面相对流速量图高。同时,随着半径的增大,相对流速增大,工作面背面的相对流速也呈增大趋势,旋转的叶轮将其入n=400r/min不同半径处相对速度大小口附近变化较大的相对流速分布逐渐转化为出口附近变化较均匀的相对流速分布。由图5可知:从工作面到背面,相对速度方向在初始段先指向轴心,与圆周切线方向夹角30°左右50逐渐减小,而后相对速度方向反向,转而指向出口,与圆周切线方向夹角从几度逐渐增大直到背面的工面0203角度08临0°。这与文献[1]的理论计算结果一致。3结论图4n=400r/min不同半径处相对速度大小图PIV技术已广泛应用于复杂流场的研究中,揭示了许多用传统测试技术无法观测到的流动瞬时结构现象,对流体机械内部流动的研究、改进流体机械设计和性能具有重要意义。本文作者应用PIV技术对叶轮轴向旋涡内部流动进行实验研究,实验结果说明PIV技术在轴向旋涡内流场测试研究方面是相当直观和可靠的。参考文献[1] F.C. Visser. Fluid flow in a rotating low-specific-speed cen-trifugal impeller passage. Fluid Dynamics Research[J].1999, 24: 275.292中国煤化工CNMHG试技术及其在离心氧中的应用图5n=400r/min相对速度矢量图[3]孙鹤泉康海贵,李广伟.PIV原理与应用[J].水道港口2002,(1):4245(责任编辑:夏书林)